大动物体外膜氧合模型建立的研究进展

齐嘉琛，高思哲，张巧妮，吉冰洋

体外膜氧合（extracorporeal membrane oxygena⁃tion， ECMO）是心肺功能衰竭患者通过机械循环辅助装置获得短时间体外生命支持（extracorporeal life support， ECLS）的一种辅助治疗手段［1］。 ECMO 的原理是将静脉血从体内引流到体外，通过氧合器（即膜肺）的气体交换，使静脉血氧合为动脉血，再用泵将血液灌注回体内。 由此在一段时间内替代患者的心肺功能。 ECMO 可支持呼吸和（或）循环功能、能有效而迅速地改善低氧血症及去除CO2、可进行左心／右心或全心辅助从而有效支持全身循环、避免长期机械通气所致的氧中毒及气道损伤，为心肺功能的恢复或心肺移植赢得时间［2］。

动物模型是ECLS 领域研究的基础，基于动物模型可以进行相关生理学研究及分子机制研究，并为相关临床试验提供重要参考。 多年来，已经有多种ECMO 大动物模型建立并应用，但在可行性和方法上缺乏全面的比较。 因此，本文对现有的静脉－动脉（veno－artery， V－A）ECMO 大动物急性疾病模型、静脉－静脉（veno－venous，V－V） ECMO 大动物急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syn⁃drome， ARDS）模型、清醒 ECMO 大动物长期生存模型的特点和建立方法进行系统的综述，目的是优化在未来研究设计中模型建立的相关策略。

1 V－A ECMO 大动物急性疾病模型的建立

V－A ECMO 现在被广泛用于各种病因导致的心源性休克的循环支持治疗［3］。 基于此特点，V－A ECMO 大动物模型主要针对心功能衰竭、心源性休克疾病模型的建立。

1.1 心功能衰竭、心源性休克造模方法和并发症 研究大部分使用猪［4－16］，也有用羊［17－18］作为构建疾病模型的物种，部分研究未提及年龄及性别信息。大多数研究采用急性心肌梗死（acute myocardial in⁃farction，AMI）诱导模型，通过结扎冠状动脉左前降支（left anterior descending coronary artery，LAD）实现。 其他模型使用起搏诱导心室颤动（ventricular fi⁃brillation，VF）、艾司洛尔输注、心肌缺氧或一氧化碳中毒的诱导方法。 大部分模型为急性期模型，大动物存活时间短，其中AMI 模型建立风险较大，可出现不可逆的VF 导致动物死亡，与其他模型相比复杂程度及不可控性更大。 V－A ECMO 大动物的主要特征、心功能衰竭、心源性休克模型的诱导方法及潜在的并发症详见表1。

表1 V－A ECMO 大动物疾病模型的基本特征、造模方法和并发症

1.2 术前管理及麻醉 根据物种不同，动物术前禁食24 ～48 h，禁水12 h。 给予氯胺酮或咪达唑仑镇静，静脉麻醉诱导多应用丙泊酚（2 mg／kg，iv）＋阿片类药物静脉注射，吸入麻醉诱导多采用异氟烷（1%～3%）吸入，随后气管插管并机械通气。 麻醉维持多采用静脉＋吸入复合麻醉，即异氟烷＋丙泊酚［8 ～10 mg／（kg·h）］＋阿片类药物的组合，根据大动物生理参数、生命体征、角膜和眼睑反射、流泪和自发运动调整麻醉维持剂量。 机械通气参数设置：潮气量多为8～10 ml／kg，呼吸频率根据呼气末二氧化碳分压调节，吸入氧浓度根据氧分压调节。

1.3 插管及抗凝管理 V－A ECMO 插管相关信息、流量及抗凝管理详见表2。 大部分模型采用外周插管，但插管策略不尽相同。 部分研究中的ECMO 流量是实验的一个控制参数。

表2 V－A ECMO 大动物疾病模型插管、流量及ACT 目标值相关信息

一旦开始V－A ECMO 支持，ECMO 相关参数设置应尽可能标准化，以符合最新指南或实践：经颈／股动脉穿刺，确认尖端位置；ECMO 流量控制在60 ml／（kg·min）左右；根据动脉血气及静脉氧饱和度（SvO2）或动脉氧饱和度（SaO2）动态调整膜肺的氧流量及氧浓度。

2 V－V ECMO 大动物ARDS 疾病模型的建立

当机械通气不能维持足够的氧合或清除CO2时，V－V ECMO 可作为急性呼吸衰竭患者的救命性治疗手段，这种情况多出现在严重的ARDS 的患者中［19］。 因此 V－V ECMO 大动物模型主要针对 ARDS疾病模型的建立。

2.1 ARDS 疾病模型的主要特征和造模方法 研究大部分使用猪［20－28］，也有用羊［29－31］作为构建疾病模型的物种。 大动物ARDS 疾病模型的诱导方法主要包括：油酸（oleic acid，OA）输注、脂多糖（lipopolysac⁃charide，LPS）输注、盐水灌洗、缺氧、钝性损伤及烟雾吸入。 大部分模型为急性期模型，大动物存活时间多小于24 h。 各个模型的具体诱导方法及研究持续时间详见表3。

表3 V－V ECMO 大动物ARDS 疾病模型中的主要特征、造模方法和持续时间

2.2 插管相关信息及参数设置 大部分模型采用外周插管，但ECMO 插管策略及参数设置不尽相同。ECMO 的流量、膜肺的通气量及吸入氧浓度应根据动脉血气及 SvO2或 SaO2动态调整。 V－V ECMO 大动物模型的插管信息及参数设置见表4。

表4 V－V ECMO 大动物模型的插管信息及参数设置

3 清醒ECMO 大动物长期生存模型的建立

清醒ECMO 最重要的指征是作为肺移植的过渡治疗［32－34］。 其优势在于避免了因气管插管、镇静、肌肉退化、神经肌肉并发症、医院获得性感染以及移植预后不良引起的一系列不良后果。 清醒ECMO 也成功用于急性呼吸衰竭恢复的过渡治疗［35］，尤其是对于有创机械通气相关风险较高的患者，如免疫力低下或慢性阻塞性肺部疾病患者［36］。 清醒 V－A ECMO 方法已用于重度肺高压和右心衰竭相关的肺功能衰竭患者，近期有文献报道，V－A ECMO 可作为原发性心源性休克或心脏骤停患者过渡至恢复或行心脏移植的一种治疗方法，有助于降低感染风险和评估神经系统功能，可用于重症心源性休克患者［37］。

清醒ECMO 大动物长期生存模型的建立旨在探究清醒ECMO 的病理生理改变，并为设计相关临床试验提供基础。

3.1 清醒大动物模型的基本特征及研究目的 清醒ECMO 大动物长期生存模型中的大动物多为羊，部分研究未提及羊的年龄及性别信息。 现存的大部分ECMO 大动物模型为健康大动物的长期生存（清醒）模型，建立的主要目的是验证ECMO 设备的安全及有效性。 大动物的基本特征总结详见表5。

表5 清醒ECMO 大动物长期生存模型中羊的基本特征

3.2 大动物术前和术后的管理 大动物的术前管理、麻醉诱导及麻醉维持与ECMO 大动物短期（急性）疾病模型的方法基本相同。 ECMO 成功建立后，需确认ECMO 的流量及大动物的生命体征平稳，逐渐减停麻醉，尝试脱机。 当大动物肌力及自主呼吸恢复后，拔除气管插管。 术后将大动物置于监护笼中，大动物可以在笼内自由活动，自主进食水。 围术期给予抗生素预防术后感染。

3.3 插管、参数设置及抗凝管理 为了使大动物清醒后能够在监护笼内活动自由，研究均采用颈部血管插管。 插管型号根据动物体重及血管条件选择。ECMO 的流量、膜肺的通气量及吸入氧浓度根据动脉血气及SvO2或SaO2动态调整。 ECMO 插管相关信息、参数设置及抗凝管理的具体信息详见表6。

表6 大动物（羊）ECMO 插管相关信息、参数设置及抗凝管理

4 总 结

ECMO 从20 世纪70 年代成功进入临床以来，从设备、应用领域到ECMO 管理策略都发生了巨大的变化，并随着新时代的发展，产生了新的适应证和挑战。 大动物模型的建立可以为ECMO 相关的病理生理学探究、设备研发、应用扩展、管理策略的优化等方面提供研究基础。